تسبب ابتكار المعجلات في إنتاج الجسيمات العالية الطاقة، وهذا خلق تحديات جديدة تتعلق بعملية الكشف عن هذه الجسيمات، فالجسيمات المحمومة تتطاير في أرجاء الغرفة السحابية دون أن تتفاعل مع الذرات في الغاز الرقيق للغرفة. على سبيل المثال، يتطلب تسجيل الحياة الكاملة لأحد الجسيمات العجيبة - من الإنتاج وحتى التحلل، على طاقات قدرها بضعة جيجا إلكترون فولت - غرفة سحابية طولها مائة متر! إضافة إلى ذلك، الغرف السحابية بطيئة؛ فدورة إعادة الضغط بعد عملية التمدد يمكن أن تستغرق نحو دقيقة، وبحلول الخمسينيات كانت معجلات الجسيمات تنتج نبضات من البروتونات كل ثانيتين.

ما كنا بحاجة إليه هو كاشف يمكنه التقاط المسارات الطويلة للجسيمات العالية الطاقة، ويكون قادرًا على العمل بسرعة. كانت الغازات أضعف من أن تتمكن من أداء المهمة، وكانت السوائل أفضل؛ لأن كثافتها الأكبر تعني أنها تحتوي على عدد أكبر بكثير من الأنوية التي يمكن لكل جسيم عالي الطاقة أن يتفاعل معها؛ وهذا يأخذنا إلى غرفة الفقاعات. الفكرة الأساسية لهذه الوسيلة تنبع مما يحدث حين تُبقي سائلا ما تحت ضغط، قريبًا جدًّا من نقطة الغليان، فإذا خفضت الضغط في هذه الظروف فسيبدأ السائل في الغليان، لكن إذا خفضت الضغط على نحو مفاجئ للغاية، فسيظل السائل سائلا رغم أن حرارته الآن تعدَّتْ درجة الغليان. تُعرف هذه الحالة باسم «فرط إحماء السائل»، ولأن السائل وقتها يكون غير مستقر، لا يمكن لهذه الحالة أن تستمر طويلا دون أن يحدث ما يسبب الخلل للسائل.

إذا استعدنا الضغط الطبيعي نستعيد الحالة الأصلية على الفور. والجسيمات التي تدخل السائل خلال اللحظات الحرجة للضغط المنخفض تسبب خللا وتطلق عملية غليان، بينما تؤين ذرات السائل على امتداد مسارها ولجزء من الثانية يتكون مسار من الفقاعات في مكان مرور الجسيمات، والذي يمكن تصويره. ومن شأن الاستعادة الفورية للضغط أن تعيد السائل إلى ما دون درجة الغليان بالكاد، ومن الممكن تكرار العملية بسرعة.

يرتبط عمل غرفة الفقاعات عن كثب بدورة عمل المعجل الذي يزودها بالجسيمات، فالجسيمات تدخل الغرفة حين يكون المكبس مسحوبًا إلى حده الأقصى، ويكون الضغط في أدناه، ويكون السائل في حالة فرط الإحماء، بعد ذلك بنحو واحد مللي ثانية يومض قوس ضوئي، مضيئًا مسارات الفقاعات المتكونة بفعل الجسيمات المشحونة. والتأخير بين درجة الضغط الدنيا والوميض يمكِّن الفقاعات من أن تكبر بصورة كافية بحيث يمكنها الظهور على الصور الفوتوغرافية في الوقت ذاته، يتحرك المكبس عائدًا في اتجاه الغرفة، مزيدًا الضغط مجددًا، وينتقل فيلم التصوير أوتوماتيكيا إلى الإطار التالي، بعد ذلك تحتاج الغرفة نحو ثانية واحدة حتى تتعافى» وتكون جاهزة لعملية التمدد التالية. وهكذا تبين غرفة الفقاعات الموضعَ الذي كانت فيه الجسيمات، وهو ما يمكننا من دراسة سلوكها على مهل.

شكل 6-1: قدمت الأشعة الكونية للفيزيائيين اللمحات الأولى عن الجسيمات دون الذرية التي خضعت للدراسة لاحقًا بالتفصيل من خلال التجارب في معجلات الجسيمات. تظهر البوزيترونات والميوونات والبايونات والكاوونات في هذه الصورة المأخوذة من غرفة الفقاعات البالغ طولها مترين في مختبر سيرن ¹

في مجال مغناطيسي، سينحني مسار الجسيم المشحون، ويكشف اتجاهه عما إذا كان الجسيم موجب الشحنة أم سالبها، كما سيكشف قطر القوس عن زخمه. وهكذا يمكننا استنتاج كلُّ من الشحنة والزخم، وإذا علمنا زخم الجسيم وسرعته، يمكننا حساب كتلته ومن ثَمَّ التعرُّف على هويته.

إحدى طرق تحديد السرعة بدقة تستخدم «عدادين» وميضيين ينتجان ومضة من الضوء في كل مرة يمر فيها الجسيم عبرهما، ثم يتم تحويل كل دفقة صغيرة من الضوء إلى نبضة كهربية، التي تُضخّم بعد ذلك لإنتاج إشارة. وبهذه الطريقة، يمكن لعدادين وميضيين أو أكثر أن يكشفا عن مسار حركة الجسيم بينما ينتج ومضات في كل عداد منهما، وبواسطة الزمن المستغرق في الحركة بين العدادين يمكن تحديد سرعة الجسيم المعني.

شكل 6-2: مسارات العديد من الجسيمات المشحونة تظهر بوضوح هذه الصورة المأخوذة من التجربة NA35 في سيرن بجنيف. تظهر الجسيمات من تصادم لأيون أكسجين مع نواة ذرة في هدف من مادة الرصاص في الطرف السفلي من الصورة تكشف الأشرطة الصغيرة الساطعة عن مسارات الجسيمات بينما تمر عبر تأثير مجال مغناطيسي، بحيث تنحني الجسيمات الموجبة في اتجاه، فيما تنحني الجسيمات السالبة في الاتجاه الآخر. أغلب الجسيمات تتحرك على نحو محموم؛ لذا لا ينحني مسارها إلا قليلا، لكن على الأقل يكون لجسيم واحد طاقة منخفضة، وهو يلتف حول ذاته عدة مرات في الكاشف، محاكيًا صَدَفة الحلزون.²

ومع ذلك، لم تساعد مثل هذه الوسائل في حل لغز التعرُّف على الهوية في حالة الصورة المأخوذة من غرفة الفقاعات، وعادة ما كانت الطريقة الوحيدة هي تعيين هويات مختلفة للمسارات المختلفة، ثم إضافة الطاقة والزخم لكل الجسيمات الناتجة عن التفاعل. وإذا لم تتساو هذه القيمة مع القيم المعروفة قبل التفاعل، يكون من المؤكد أن الهويات المفترضة خاطئة، ويجري اختبار هويات أخرى، إلى أن يتم الوصول إلى صورة متسقة. كانت هذه عملية مضيعة للوقت، لكنها كانت أحدث الوسائل الممكنة نحو عام 1960. إن تحديد هويات الجسيمات من خلال الحسابات القائمة على المحاولة والخطأ هذه لهي عملية متكررة تبرع أجهزة الكمبيوتر في القيام بها، واليوم تخلت غرف الفقاعات عن مكانتها لصالح كواشف الإلكترونات التي تتوافق على نحو أفضل مع التحليل الحاسوبي.

هوامش

(1) © Goronwy Tudor Jones, University of Birmingham/Science Photo Library.

(2) © CERN/Science Photo Library.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays